DE70059C - Heifsluftmaschine - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.^

Die Erfindung betrifft eine durch Heifsluft betriebene Kraftmaschine, zu deren Betrieb keine Pumpe erforderlich ist. Die Maschine kann mit oder ohne vorausgehende Pressung der Luft betrieben werden. Im ersteren Falle wird die Luft, nachdem sie bei atmosphärischem Druck angesaugt ist, bei ihrer normalen Ausdehnung erhitzt; im anderen Falle wird die ebenfalls bei atmosphärischem Druck angesaugte Luft vor der Erhitzung dadurch geprefst, dafs in den von ihr eingenommenen Raum eine gewisse Menge von Verbrennungsgasen, die während der vorausgehenden Hubbewegungen erzeugt wurden, durch den Triebkolben hineingedrückt werden.

Diese eingeprefsten Gase können vor dem Hineindrücken gekühlt oder auch ohne Kühlung zugeführt werden.

Der Arbeitskolben, Cylinder, die Pleuelstange u. s. w. sind im wesentlichen ebenso beschaffen, wie in fast allen Gasmaschinen.

Fig. ι ist eine Seitenansicht, Fig. 2 eine Oberansicht der Maschine, Fig. 3 ein senkrechter Schnitt im kleineren Mafsstabe durch einen Theil derselben.

A ist ein am Ende des Arbeitscylinders B angeordneter senkrechter Cylinder (Fig. 3), der auf einem mit feuerfestem Material D ausgekleideten und mit Feuerrost E versehenen Untersatz C ruht. Die Ausfütterung D kann auch durch einen entsprechend geformten Rost mit eng an einander gereihten Stäben ersetzt werden.

In dem Cylinder A ist ein cylindrisches Stück F beweglich, welches am unteren Ende eines durch eine Stopfbüchse geführten und durch eine mechanische Antriebvorrichtung auf- und niederbewegten Rohres G befestigt ist.

Durch den festschliefsenden Deckel des Cylinders A geht ein Ventil H, welches als Saugventil wirkt.

Der Hohlkolben F schliefst in seiner Tiefstellung die Verbindung zwischen den Cylindern A und B ab; in seiner Höhestellung nimmt er den tief in den Cylinder hineinragenden Theil des Deckels in sich auf, und es tritt dabei die seitliche Oeffnung α des Rohres G in Verbindung mit dem schräg herabführenden Kanal b des Zuführungshahnes.

In der Wand des Cylinders A befinden sich zwei Oeffnungen I (von denen in Fig. 3 nur eine sichtbar ist, die andere befindet sich gerade gegenüber); diese Oeffnungen führen in einen senkrechten Kanal (punktirt angedeutet), der mit einer kreisförmigen Rinne J in Verbindung steht; letztere steht mit dem Innern des Cylinders durch eine Anzahl Oeffnungen 0 0, deren einige von aufsen her mittelst Schrauben ganz oder theilweise verschlossen werden können, und auch mit der Aufsenfiäche des Futters D oder des dasselbe ersetzenden Rostes in Verbindung. Eine Thür K gestattet den Zugang zum Feuerraum, um denselben zu reinigen und anzuzünden; ein Bodenverschlufs L erleichtert die Entleerung; ein Guckloch M ist für die Beobachtung der Feuerung während des Betriebes angebracht.

Um die verschiedenen Arbeitsspiele der Maschine besser zu verdeutlichen, sind die vier Takte in vier schematischen Fig. 4, 5, 6 und 7 dargestellt.

I. Takt, Fig. 4. Während der Kurbelzapfen M¹

den Weg 3-4 seiner Kreisbahn zurücklegt, geht der Hohlkolben F nieder, saugt Luft durch die Ventile HH an und drückt einen Theil der Verbrennungsgase durch das in diesem Augenblick vermittelst eines Excenters geöffnete Auspuffventil N nach dem Schornstein.

Die Oeffhung / läfst, auch wenn kein Rückschlagventil angeordnet ist, während des Ansaugens nur sehr wenig heifse Gase hindurch und über den Kolben treten, weil einestheils die eingesaugte atmosphärische Luft in dem voll geöffneten Ventil H fast gar keinem Widerstand begegnet und weil anderentheils die unter dem Hohlkolben befindlichen erhitzten Gase einen grofsen Widerstand in der Schicht von Brennmaterial, im Rost und in den Zügen zu überwinden haben würden, um hinauf zu gelangen.

Man kann jedoch zur gröfseren Vorsicht die Oeffnungen / auch noch mit Klappen versehen, die aber nicht dicht zu schliefsen brauchen, weil sie überhaupt entbehrlich sind.

Der Hohlkolben F befindet sich also nun unten, darüber befindet sich die angesaugte frische Luft, der Arbeitskolben P' nimmt noch seine Stellung etwa am vorderen todten Punkt ein.

II. Takt, Fig. 5. Die Arbeitstheile befinden sich in der Stellung während des Rücklaufes des Kolbens P¹ und der Drehung des Kurbelzapfens M¹ von 4 nach 1; der Hohlkolben F steht nahezu still. Die Verbrennungsgase werden während des ersten Theiles dieses Arbeitskolbenganges durch das Ventil N nach dem Schornstein getrieben, darauf schliefst sich dieses Ventil N unter Wirkung eines Excenters, und die Gase werden nun gleichzeitig in den Feuerraum (wohin jedoch wegen der hohen Temperatur nur sehr wenige gelangen) und durch die Oeffnungen s s über den Hohlkolben F gedrückt, woselbst sich die angesaugte frische Luft befindet, mit der sich die Gase vermischen und mit der letzteren umsomehr zusammengeprefst werden, je gröfser die Menge des hineingedrückten Gases ist, je früher also das Ventil N geschlossen worden war. Dadurch, dafs dieses Ventil zu irgend einer Zeit während des vom Kurbelzapfen Af¹ von 4 nach 1 zurückgelegten Weges geschlossen werden kann, läfst sich der Grad der Pressung des Gemisches von Luft und Gas regeln. Der geeignetste Zeitpunkt für die Schliefsung des Ventils N ist der, wo der Arbeitskolben P¹ etwa ein Drittel seines Hubes während des Rücklaufes zurückgelegt hat.

Arbeitet die Maschine ohne Pressung der Luft, so entweichen die nicht mehr gespannten Gase während des ganzen Kolbenrücklaufes durch den Abzug N.

III. Takt, Fig. 6. Erhitzung der Luft. Während der Bewegung des Kurbelzapfens M¹ von 1 nach 2 geht der Hohlkolben F wieder hinauf.

Die über dem Kolben befindliche, event, mit den. Gasen geprefste Luft, welche noch verhältnifsmäfsig kalt ist und geringe Spannung hat, wird durch die Oeffnungen χ χ herabgedrückt, geht durch das geöffnete Ventil / und Zug y' nach dem ringförmigen Kanal J, umspült den Feuerraum und dringt durch den Rost in das Feuer, wonach sie den Raum über dem Feuer einnimmt und durch Erhitzung eine hohe Spannung annimmt. Die durch die Oeffnungen ο in den Cylinder B dringende Luft dient zur Verbrennung oder Verdrängung des Kohlenoxydgases, welches sich durch das Hindurchdrücken der schon vorher verbrannten Gase durch den Feuerraum gebildet hat.

Der Hohlkolben befindet sich nun also wieder oben, der Arbeitskolben an seinem hinteren todten Punkt.

IV. Takt, Fig. 7. Die gespannte Luft bezw. Luft und Gase treiben nun den Arbeitskolben vorwärts, die Expansion findet statt; der Hohlkolben bewegt sich dabei nicht. Der Kurbelzapfen M¹ des Arbeitskolbens P¹ dreht sich von 2 nach 3; alle Ventile bleiben geschlossen. Dieser Kolbengang bewirkt die Arbeitsleistung. Am Ende des Hubes öffnet sich das Ventil N und die Vorgänge wiederholen sich.

In Fig. 8 ist ein Schnitt dargestellt, welcher rechtwinklig zu dem in Fig. 3 gezeigten Verticalschnitt genommen ist.

Fig. 9 und ι ο zeigen in Seiten- und Oberansicht eine vergröfserte Darstellung der Einrichtung für das Spiel der Ventile H.

Will man die Verbrennungsgase vor ihrem Eintreiben in den Cylinder A kühlen, anstatt sie heifs hineinzudrücken, so werden zu diesem Zwecke eine Anzahl Oeffnungen r angebracht, welche der Arbeitskolben freiläfst, bevor er am Ende seines Hubes anlangt und bevor sich das Abzugsrohr öffnet.

Durch diese Oeffnungen r und den ringförmigen Kanal q wird ein Ausgleich des Druckes zwischen dem Cylinder und dem Kühlbehälter P, Fig. 3, hergestellt; ein grofser Theil der heifsen Gase strömt durch die Klappe c¹ in den Behälter P. Der Druck wird überall den Atmosphärendruck übersteigen, und sobald das Abzugsrohr sich öffnet, werden die Gase in P die Klappe c heben und durch die Oeffnungen r zurückströmen, indem sie die noch im Cylinder befindlichen heifsen Gase mitreifsen, die nach dem Abzugsrohr zurückgedrängt werden und den Cylinder füllen.

In dem Behälter P sind die Gase bedeutend gekühlt worden, indem sie zwischen zwei Siebblechen durch eine schwammige oder poröse Masse hindurchstreichen, die durch das vom Cylinder B bei Q. abgeleitete Kühlwasser, das durch eine Brause T in den Kühlbehälter eingespritzt wird und bei R abläuft, beständig kühl gehalten wird.

Die Zufuhr des Brennmaterials kann durch den mit Hahnverschlufs versehenen Kanal b geschehen, der, wenn der Hohlkolben F im Cylinder A seine Höhenstellung einnimmt, mit dem Ausschnitt α im Rohr C Verbindung erhält. Der Hohlkolben' hat gegenüber den Oeffnungen / Ausschnitte, um die Oeffhungen nicht zu schliefsen, bevor er seinen Hub beendet hat.

Der Hahnverschlufs des Kanales b wird bewegt mittelst eines Sperrrades und einer Klinke von der Triebvorrichtung aus, die das Rohr G auf- und niederbewegt.

Diese Triebvorrichtung ist wie folgt beschaffen:

Auf der Maschinenwelle sitzt eine Kurbelplatte mit Excentern zur Bewegung des Auspuff- und des Ansaugeventils; diese Platte bewegt ferner eine Pleuelstange, deren Gabel d, Fig. 6, vermöge des schwingenden Hebels e einen Bogen um y beschreibt und einen auf dem Arm / gleitenden Ring ν bewegt. Zu Anfang und am Ende der Bewegung bildet die Achse des Armes f eine Tangente an den von d beschriebenen Bogen, und die Bewegung von f ist nur sehr gering. In der Mitte der Bewegung hat sich der verschiebbare Ring ν jedoch dem Drehpunkt des Hebels/ bedeutend genähert und die Geschwindigkeit des Endes dieses Hebelarmes f ist bedeutend gröfser als die der' Gabel d, welche f nahe seinem Drehpunkt bethätigt.

Wenn man berücksichtigt, dafs diese Bewegung mit derjenigen der Pleuelstange zusammenwirkt, deren anderes Ende einen Kreis beschreibt, an den todten Punkten nur einen geringen Vorschub, an den zwischenliegenden Punkten einen um so gröfseren bewirkt, so wird man bemerken, dafs die Bewegung von/ an den todten Punkten noch weit langsamer, in der Mitte noch viel schneller ist, so dafs die Bewegung sich einer aussetzenden Bewegung nähert. .

Das ist bei einfachem Coulissengang der Fall; •man kann aber die Wirkung noch verstärken, indem man den Coulissengang verdoppelt, nämlich an f eine zweite Pleuelstange g ankuppelt, deren Gabel h mittelst des Hebels i einen Bogen beschreiben und den Ring u auf dem Hebelarm j gleiten läfst. Die Bewegung des sich um den Punkt w drehenden Hebels j wird demnach an den todten Punkten so sehr verlangsamt, in der Mitte der Bewegung so beschleunigt sein, dafs die Bewegung einer aussetzenden gleich zu achten ist. Der Hebel j hat einen Arm K, welcher mittelst Gelenkstange I und des Waagebalkens m η einestheils das Rohr G des Hohlkolbens F auf- und niederbewegt und anderentheils den Hahnverschlufs des Kanales b durch die Hebel-. Verbindung ρ dreht.

Der mittelst Klemmschraube am Hebelarm K befestigte Ring t gestattet, den Hub des Hohlkolbens F zu verlängern oder zu verkürzen. Durch den doppelten Coulissengang wird erreicht, dafs der Hohlkolben F während des Voreilens und des Rücklaufes des Arbeitskolbens so gut wie stillsteht und, während letzterer sich an den todten Punkten befindet, mit grofser Geschwindigkeit aufgezogen bezw. niederbewegt wird.

Der Aufbau erscheint zwar etwas verwickelt; man wird in manchen Fällen auch mit dem einfachen Coulissengang auskommen und die Gabel h der Pleuelstange g unmittelbar von der Kurbelachse der Welle aus treiben können. Um eine noch gröfsere Vereinfachung zu bewirken, könnte man sogar unter gänzlicher Beseitigung des Coulissenganges die Gelenkstange / durch eine Pleuelstange treiben lassen, die zur Triebstange im Winkel von 90⁰ angeordnet ist; aber diese Anordnung würde nicht eine so lang aussetzende Bewegung des Hohlkolbens F herbeiführen können, und die Erhitzung der Triebluft würde nicht bei so gleichmäfsigem Volumen derselben stattfinden können.

Die Regulirung des Ganges vollzieht sich durch ein Nachlassen der Gaszufuhr zum Feuerraum, sobald der Gang zu schnell wird. Die angesaugte Luft und die Gase werden in einen Schornstein oder ins Freie ausgepufft. Es genügt hierzu, dafs das Saugventil nicht dicht schliefst. Der Hohlkolben F treibt bei seinem Aufgang die über ihm befindlichen Gase heraus.

Die Bewegung des Saugventils H von der Kurbelplatte der Hauptwelle aus geschieht wie folgt: . - -

Eine Feder V hebt beständig einen Arm V\ welcher die Stange des Ventils H mittelst einer Oese x¹ emporzieht und das Ventil gegen seinen Sitz drückt (Fig. 1 und 3). Wenn nun durch eine Kurbelstange mittelst der Gelenkstange X ein Arm Y desselben Hebels V¹ angezogen wird, so wird der Arm V¹ zurückgezogen und das Ventil H fällt durch eigene Schwere, worauf Luft ohne Widerstand einströmen kann.

Bei normaler Ganggeschwindigkeit schlägt ein am Ende der Stange X schwingendes, den Bewegungen dieser Stange folgendes Gewicht F¹ mittelst einer Stahlschneide W einen Anschlag W¹ an, der eine auf derselben Achse sitzende Klinke S' bewegt. Diese Klinke wird also bei jedem Zug der Stange X herabbewegt und bleibt ohne Wirkung. Wenn jedoch der Gang beschleunigt wird, so wird das Gewicht zurückbleiben, die Schneide wird sich durch die schwingende Bewegung heben und nicht mehr mit dem Anschlag W¹ zusammentreffen; die Klinke wird folglich in einen Einschnitt unten am Arm Y einfallen. Dieser mit dem Hebel V¹ ein Stück bildende Arm wird folglich festgehalten werden, wenn die Stange X zurückgeht, und das Ventil H bleibt offen. Beim

Aufgang des Hohlkolbens F werden demnach Luft und Gas' ins Freie ausgetrieben. Wenn dann beim folgenden Hub die Ganggeschwindigkeit wieder normal ist, wird die den Anschlag W¹ treffende Schneide die Klinke auslösen, und die Feder V wird den Hebelarm V¹ und dieser das Ventil H emporziehen und schliefsen. Ist jedoch die Ganggeschwindigkeit noch zu grofs, so wird die Schneide am Anschlag abgleiten, der Arm Y bleibt im Eingriff mit der Klinke S¹, der Hebel V¹ wird niedergehalten und das Ventil H bleibt offen.

Es arbeitet folglich diese Maschine ganz ohne Pumpe, welche zur Pressung der Luft diente und auf die eine Seite ihres Kolbens irgend welchen Druck empfangen müfste.

Der Hohlkolben F wirkt hier nicht als Pumpe, sondern drückt nur die Gase, weiche ihre Spannung verloren haben, zurück und saugt Gase ohne Spannung an. Der einzige Druckunterschied , welcher auf den beiden Flächen des Hohlkolbens etwa bestehen kann, wird von einem ungleichen Widerstand gegen den Austritt der Gase in die Kanäle verursacht werden können.

Während der Arbeitskolben vor- oder zurückeilt, steht der Hohlkolben F ganz oder fast still; denn wenn der Arbeitskolben an seinen zweiten todten Punkt kommt, zwingt der Hohlkolben F die Gase von oben nach unten durch die Feuerung hindurch oder nach oben durch dazu angebrachte Oeffnungen; aber auch hier besteht der Druckunterschied allein aus einem ungleichen Widerstand, den die Gase beim Austritt in die Kanäle oder beim Durchgang durch die Feuerung finden; auch stehen beide Seiten des Hohlkolbens mit einander in Verbindung.

Wenn man demnach zu irgend welcher Zeit während des Betriebes die Maschine plötzlich anhalten würde, so würde sich der Druck über und unter dem Hohlkolben genau das Gleichgewicht halten, und letzteres wird in keinem Falle gestört, als durch die unvermeidlichen Widerstände beim Austritt der Gase in die Kanäle, d. h. also in so geringem Mafse, dafs ein Fehler darin nicht gefunden werden kann, zumal sich diese Widerstände nach Möglichkeit gleichförmig gestalten lassen.

Die Arbeitsweise vollzieht sich demnach wie folgt:

Mit Prefsluft:
Takt i:

a) Ansaugen reiner Luft durch den Hohlkolben, während der Arbeitskolben sich an seinem vorderen todten Punkt befindet, und

b) Pressung dieser angesaugten Luft durch Hineindrücken von Verbrennungsgasen (die vorher gekühlt sein können) unter den Hohlkolben mittelst des Arbeitskolbens.

Bei Betrieb ohne Prefsluft fällt die unter b) angegebene Thätigkeit fort.
Takt 2:

c) Erhitzung der Luft bei unverändertem Volumen während des hinteren todten Punktes des Arbeitskolbens.

d) Expansion der Heifsluft durch den Arbeitskolben während des Stillstandes des Hohlkolbens.

(Bei Betrieb ohne Prefsluft fallen die Vorgänge c) und d) in einen zusammen.)

e) Kurz vor dem Ende des Kolbenhubes: Kühlung der Verbrennungsgase durch das den Arbeitscylinder B kühlende Wasser oder durch eine beliebige andere Kühlvorrichtung und Verdrängung der im Cylinder befindlichen Heifsgase durch die gekühlten Gase.

Der unter e) angegebene Vorgang soll nur facultativ angewendet werden.

Claims (3)

1. Patent-Ansprüche:

   ι . Eine Heifsluftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dafs mit dem Arbeitscylinder (B) ein zweiter Cylinder (A) in Verbindung steht, in welchem ein Hohlkolben (F), dem Lauf des Arbeitskolbens entsprechend, aber mit ungleicher Geschwindigkeit (aussetzend) auf- und niederbewegt wird, welcher Hohlkolben beim Niedergang Luft ansaugt, dieselbe ohne Veränderung ihres Volumens der Erhitzung durch die Feuerung aussetzt und dann bei seinem Aufgang die verbrauchte Luft und Gase auspufft.
2. 2. Eine Maschine der im Anspruch 1. gekennzeichneten Art, bei welcher die der Erhitzung ausgesetzte Luft aufserdem eine Pressung dadurch erfährt, dafs der Arbeitskolben bei seinem Vorschub Heizgase (gekühlt oder ungekühlt) hineindrückt.
3. 3. Eine Ausführungsform der durch Anspruch i. gekennzeichneten Maschine, bei welcher die Uebertragung einer ungleichmäfsigen (aussetzenden) Bewegung von der Triebwelle aus auf den Hohlkolben (F) des Nebencylinders (A) mittelst eines einfachen oder doppelten Coulissenganges (d e vf bezw. g h i u j) geschieht, welcher gleichzeitig auch das Brennstoffzuführungsventil entsprechend den Bewegungen des die Zuführung vermittelnden Rohres (G) dreht.

   Hierzu 3 Blatt Zeichnungen.